X. Биосинтез ДНК и РНК

Для синтеза нуклеиновых кислот необходимы определённые предпосылки:

1) Биосинтез начинается только при наличии всех основных видов нуклеозидтрифосфатов в строго определённой пропорции.

2) Наличие каталитических систем – ДНК- или РНК-полимераз.

3) Существование в клетке определённой нуклеотидной последовательности, которая выступает в качестве затравки, играющей роль матрицы.

Механизм реакций при биосинтезе нуклеиновых кислот заключается в переносе остатка нуклеозидмонофосфата от нуклеозидтрифосфата на концевой нуклеотидный остаток, растущий в процессе синтеза полинуклеотидной цепи. Перенос идёт на место атома водорода 3¢-гидроксильной группы рибозы или дезоксирибозы концевого нуклеотида и сопровождается выделением пирофосфата.

Основные ферменты биосинтеза ДНК:

1) ДНК-полимераза I. Участвует в удалении ошибочно присоединённых нуклеотидных остатков и разрушает праймеры, необходимые для синтеза фрагментов Оказаки.

2) ДНК-полимераза II. Её основная функция – репарация ДНК.

3) ДНК-полимераза III. Обеспечивает элонгацию сборки цепи ДНК.

ДНК-полимеразы I, II, III – ферменты кишечной палочки.

4) ДНК-полимераза-a. Фермент млекопитающих. Оптимум рН её действия 7,2.

5) ДНК-полимераза-b. Оптимум рН 8,4.

6) ДНК-полимераза-g.

Все выделенные ДНК-полимеразы эукариот не обладают нуклеазной активностью.

7) ДНК-лигаза. Катализирует реакцию образования фосфодиэфирной связи между 3¢- и 5¢-концами фрагментов одной из цепей ДНК.

8) РНК-зависимая ДНК-полимераза (ревертаза). Катализирует биосинтез ДНК на РНК. Фермент вируса лейкомы Раушера и вируса саркомы Рауса.

Белковые факторы, необходимые для синтеза ДНК:

1) ДНК-связывающий белок. Связывается с одноцепочечной ДНК или дефектными участками биспиральной ДНК, резко ослабляя взаимодействие между цепями. Активирует ДНК-полимеразы II и III.

2) ДНК-раскручивающий белок. Обеспечивает разрыв фосфодиэфирной связи одной из цепей и раскручивание суперспиральной молекулы ДНК.

Про­цесс сту­пен­ча­то­го син­те­за по­ли­нук­лео­тид­ной це­поч­ки осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на мат­ри­це, вдоль ко­то­рой рас­по­ла­га­ют­ся один за дру­гим те или иные де­зок­си­ри­бо- или ри­бо­нук­ле­о­ти­ды, всту­паю­щие в ре­ак­цию кон­ден­са­ции с вы­де­ле­ни­ем пи­ро­фос­фа­та. По­ря­док рас­по­ло­же­ния нук­лео­зид­три­фос­фа­тов вдоль по­ли­нук­лео­тид­ной мат­ри­цы за­да­ёт­ся че­ре­до­ва­ни­ем нук­лео­тид­ных звень­ев, при­су­щих дан­ной мат­ри­це. При этом к оп­ре­де­лён­но­му пу­ри­но­во­му или пи­ри­ми­ди­но­во­му ос­но­ва­нию по­ли­нук­лео­ти­да мат­ри­цы при­сое­ди­ня­ет­ся ком­пле­мен­тар­ное пу­ри­но­вое или пи­ри­ми­ди­но­вое ос­но­ва­ние со­от­вет­ст­вую­ще­го нук­лео­зид­три­фос­фа­та. В ре­зуль­та­те вновь син­те­зи­руе­мая по­ли­нук­лео­тид­ная цепь в це­лом бу­дет ком­пле­мен­тар­на по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи мат­ри­цы.

Обязательным условием такого механизма является присутствие одноцепочечной структуры матрицы. Поэтому в случае биосинтеза ДНК, характеризующейся биспиральной структурой, существенным моментом в биосинтезе является расхождение биспирального полидезоксирибонуклеотида на односпиральные полинуклеотидные цепи, на которых и может осуществляться сборка комплементарных им полинуклеотидов. В итоге из одной биспиральной молекулы ДНК образуются 2 биспиральных молекулы ДНК, совершенно идентичные друг другу (дочерние) и исходной молекуле ДНК (материнской).

Такой способ удвоения молекул ДНК называется полуконсервативным. Он был доказан в опытах, где исходную ДНК родительских клеток метили N¹⁵. В дочерних клетках после 1-го деления метку обнаруживали во всех молекулах ДНК, но в двое меньшем количестве, поскольку она присутствовала лишь в одной из цепей ДНК. После 2-го деления половина молекул ДНК в дочерних клетках оказывается немеченой, а половина меченой, т.к. репликация идёт как на меченых, так и на немеченых одноцепочечных полинуклеотидах: